2011 Fiscal Year Annual Research Report
数のリズムが絡んだ局所神経回路の解析と機能的意味の検
Publicly Offered Research
| Project Area | Mesoscopic neurocircuitry: towards understanding of the functional and structural basis of brain information processing |
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| Project/Area Number |
23115511
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
青柳 富誌生 京都大学, 情報学研究科, 准教授 (90252486)
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| Keywords | リズム / 神経ネットワーク / 位相振動子 / 同期 |
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| Research Abstract |
本研究の目的は、大脳新皮質から昆虫や軟体動物等の幅広い脳・神経システムに見られる複数のリズムが絡む神経活動に着目し、局所神経回路のレベルでどのような意義を持つのか数理モデルを用いて解明することである。最近の実験ではγ振動は局所的かつボトムアップの、βやθ振動はより大局的でトップダウンの情報処理に関わっているとの報告もある。そこで、機能とリズムの関係を明らかにするため幾つか研究を行った結果、本年度は以下の結果を得た。
周期的活動を示す神経細胞が3体相互作用を行うような神経ネットワークは,アナログ情報(連続量)のワーキングメモリーとして機能し得ることを示した。現実の神経細胞間の結合は、空間的に複雑な構造やダイナミクスを持つことが知られている。その結果、神経細胞への入力が他の2つ以上の細胞の状態に同時に依存する、すなわち本質的に多体間の相互作用を含む場合も多い。しかし、従来の神経回路モデルでは、2体相互作用しか考慮していない場合が多い。リズミックに活動するニューロン間の多体間相互作用を含む複雑な神経回路網の機能を理解する第一歩として、3体相互作用するモデルを構成し,その振る舞いを詳細に調べた。結果として、同期度がある範囲で連続的に変化する状態全てがアトラクタとなっている、いわゆる線状アトラクタと呼ばれる構造が生じることを示した。更に、複数の位相パターンを記憶させると、それぞれに対応する線状アトラクタが存在することも示している。このことから、連続値を保持可能なワーキングメモリーが、従来のモデルのような発火率符号化ではなく、時間的符号化の枠組みでも実現でき、更に単一の神経回路で複数の連続値を同時に保持可能であるという従来モデルにない優れた特長を備えた神経メカニズムであるとがわかった。
以上の研究は、リズミックに活動しているニューロン集団が、多体相互作用をすることにより、複数の発火パターンにアナログ情報をコードできる点が興味深い。その際には、発火パターンにはアナログ情報の内容(振動数、眼球の視野位置等)を、同期度に値をコードするものである。これにより、従来不明瞭な同期度と切り捨てられた実験データの中にも、何らかの意味が有るかも知れず、実験データの解釈などに一石を投じる結果であると考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
以上で説明したように、神経のリズミックな活動は、神経修飾物質や複雑な樹状突起の性質などによる多体相互作用を考慮すると、複数のアナログ情報を保持するワーキングメモリとしての機能を担い得る点を示した。これは数値計算だけでなく、平均針論による解析の結果でもあり、成果は論文の形で発表している。また,最終年度の目標に向けて、実験データの解析手法も検討を開始している。以上の点から、計画はおおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
リズムが絡む局所神経回路の研究において、本年度の研究結果を補完する(3)数値実験による結合力学系のデータからの推定手法の検討をおこなう。特に、複数のリズムがある場合、どのようなデータ解析手法が可能か、ベイズ推定やモンテカルロ法の手法を用い、更に非線形力学系の縮約理論も念頭に、研究を進める予定である。この研究は、必然的に非線形力学系のパラメーター推定となり、多くの局所解が存在する困難な問題となると予想されるが、パラレルテンパリングなどのモンテカルロ法を基礎とした最新の手法を用いることで、克服可能と考えている。
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